白钨选矿尾水悬浮物人工湿地基质沉降模拟研究

杨楚思，阳雨平，王振宇

（中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

白钨选矿尾水悬浮物人工湿地基质沉降模拟研究

杨楚思，阳雨平，王振宇

（中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

人工湿地在运用过程中表现出对悬浮物良好的去除作用，但其去除机理和规律的研究却不够透彻。为了探究白钨选矿尾水悬浮物的去除效果及固体颗粒在人工湿地基质中的沉降规律，选择花岗岩或石英，构建水平潜流人工湿地系统，考察水力坡度对悬浮物去除效果的影响，分析沉积颗粒粒径。结果表明：人工湿地对悬浮物有良好的去除效果；6～12 mm的花岗岩作填料，水力坡度为0.25%时，去除效率在60%以上，出水中悬浮物的含量在40 mg/L左右；预处理的絮凝过程将无法沉降的2 μm以下的颗粒物从63%降至20%以下，颗粒中值粒径由1.64 μm扩大至3.97 μm；沉积物粒径分布在3.5～23.6 μm间，沉降距离可依据Stokes定律推算。

白钨选矿尾水；悬浮物；人工湿地填料；絮凝作用；沉降规律

0 引言

有色金属矿产资源是我国重要的自然资源，开发和利用过程中都会产生大量的废水；其中，选矿厂外排的尾水每年约2亿t，占有色金属工业废水总量的30%左右[1]。随着我国矿产资源不断的开发利用以及选矿新工艺和新药剂的发展，难选矿物的开采率不断提高，矿物研磨粒度愈来愈细；相比生活污水、采油废水等其他水体，选矿尾水中悬浮颗粒物含量更多、粒径更小[2-3]。

20世纪70年代以前，国际上侧重从水相和生物相方面对水环境质量进行评价[4]，随着对河流悬浮物和底泥污染物问题研究的深入，人们逐步认识到悬浮物和底泥在水质评价中的重要性。河流、湖泊以及近海岸等天然水体中悬浮物的研究逐渐深入，包括迁移、沉积以及再悬浮规律。以传统的沉淀和过滤两种悬浮物分离技术为基础，一系列的沉降规律和理论被提出。张志忠[5]对长江口泥沙采样进行试验分析，以32 μm为界限将固体颗粒分为粗颗粒泥沙和细颗粒泥沙，粗颗粒泥沙以单颗粒形式自由沉淀，细颗粒泥沙间因絮凝作用而发生絮凝沉淀。黄建维[6]通过研究颗粒物浓度与沉降速度间的相关性得出，随着悬浮物浓度的增加，沉降速度先升高后降低。Stokes公式、过渡区起始段个别公式、阿连公式、过渡区末端个别公式、牛顿公式等被用于描述颗粒物在不同流态中的沉降速度[7-11]。

人工湿地作为新发展起来的污水处理技术，已广泛应用于生活污水、工业废水、农业废水，在有色金属矿山被用于处理酸性废水中的重金属和硫化物具有出水稳定、水质良好、成本较低的优点[12-17]。现有人工湿地设计标准大多依据氮、磷和有机物的去除，而对悬浮物去除机理和规律的研究不够深入。采用砾石芦苇床对英格兰南部Devize镇的Monument垃圾填埋场渗滤液进行处理，悬浮物的去除率可达83%[18]，而H.Brix[19-20]在丹麦Mossgard和Hjordhaker的试验，生活污水中悬浮物去除率仅38%和13%。

本试验依托湖南瑶岗仙裕新多金属矿床技术改造工程（位于东江湖准保护区），其白钨选矿尾水中悬浮物浓度达6 400～8 540 mg/L，粒径主要分布在1～3 μm间。前期的石灰絮凝试验证明：絮凝沉淀作用将悬浮物的浓度降至100 mg/L左右，达到了GB8978-1996一级标准，但仍对东江湖造成一定威胁。本次研究拟通过构建人工湿地物理模型，获取沿程方向上悬浮物浓度变化数据，分析固体颗粒沉降规律，进而评价填料的去除效果。

1 材料和方法

1.1 白钨选矿尾水中悬浮物特性

水体中粒径小于2 μm的悬浮物无法通过重力沉降作用去除[21]。白钨尾水中的悬浮物2 μm以下的占63%，大多数颗粒在1～3 μm之间，平均粒径为1.64 μm，与海洋、河流、城市污水等水体中的悬浮颗粒相比，粒径相差30至80倍（见表1）；其主要成分为选矿过程中残留的各种脉石及金属微细矿泥，包括石英、长石、萤石、方解石、白云石、电气石等[22]，均为无机颗粒，难以通过化学或生物作用去除；由于粒径太小，自然状态下长时间无法沉降。

表1 不同水体中悬浮物粒径分布[23-26]μmTab.1 Size of suspended particles in different kinds of water body

1.2 试验装置

1.2.1 模型框架

用有机玻璃构建200 cm×15 cm×20 cm的物理模型，考虑因素：（1）模型的长度满足悬浮颗粒所需的沉降距离（根据尾矿粒度推测的悬浮物粒径较测量值小，因此计算得到的沉降距离比实际所需值小）；（2）两侧和底部边壁对水流状态的影响能忽略不计；（3）单次试验所需尾水量在30 L左右。

1.2.2 人工湿地填料

人工湿地填料为花岗岩和石英，两者均在当地易得，且石英常用于污水过滤；粒径初步取值为10 mm左右，人工湿地填料的粒径在5～50 mm不等[27-31]，白钨选矿尾水中悬浮物粒径仅几微米，粒径需小于常规取值才能达到较好的去除效果。

填料来源：从黑钨重选厂破碎工段取得粒径在12 mm以下的花岗岩和石英混合料，用孔径为6 mm的筛子筛分，留筛上部分；人工将花岗岩和石英分拣、清洗，相关物理参数测量值见表2。

表2 人工湿地填料的空隙率和级配Tab.2 Porosity and gradation for artificial wetland filler

1.2.3 模型结构

试验装置如图2所示，大致分为布水、填料和集水三个区。其中布水区和集水区为粒径30～50 mm的花岗岩，填料区为粒径6～12 mm的花岗岩或石英，填料区沿程方向设置悬浮物浓度采样管，分别距离进水口10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110cm、130cm、150cm，共10根。

图1 人工湿地小型试验模型Fig.1 Asmall-scaledexperimentalmodelfortheartificialwetland

1.2.4 水力坡度

试验过程中的水力坡度为0.25%。主要考虑因素有：（1）自然的流动状态下，通过观察，进、出水口液面高差2～3 mm，水力坡度约为0.15%，试验控制值大于此基准；（2）根据不同水力坡度下（0.25%、0.5%、1.0%、1.5%）渗透速度测定结果（见图2），当水力坡度为0.25%时，渗透速度为1.2 mm/s，计算得到渗流雷诺数约为9.3，填料中的水流可视为层流；（3）水洞尾矿库下游空地呈扇形，长300 m左右，宽60～300 m，尾水流动速度1.2 mm/s时，能满足处理量4 189 m3/d的要求。

图2 水流在不同填料中的渗透速度Fig.2 Water permeation velocity in different fillers

1.3 试验过程

试验主要分5个步骤如图3所示。

图3 试验步骤Fig.3 Experiment process

尾水处理：浮选尾水取自白钨试验选厂，经添加2.0 g/L石灰，絮凝沉淀4 h后取上清液；

静置添加：往模型中添加尾水至进水口液面到指定高度，此过程水力坡度为0.15%；

控制添加：控制进出、水口的液面高度差为5mm，继续加水，此过程水力坡度为0.25%；

水样采取：尾水流动稳定后，利用采样管取得模型不同位置的水样，测量悬浮物浓度（测量方法参考《水和废水监测分析方法》第四版中103～105℃烘干的可滤残渣）；

2 试验结果与讨论

2.1 絮凝对细颗粒悬浮物沉降的影响

2.1.1 石灰絮凝预处理

白钨选矿尾水中悬浮物高达8 540 mg/L，直接排入会造成人工湿地负荷过大，寿命缩短，需通过预处理降低浓度。通过石灰烧杯絮凝试验确定了石灰添加量为1.5～2.0 g/L时，沉淀后悬浮物浓度降至100 mg/L左右，能满足进水要求。因此，试验前添加2.0 g/L石灰，沉淀4 h对尾水进行预处理。

2.1.2 絮凝前后悬浮颗粒粒径对比

图4 絮凝前后尾水中悬浮物粒径分布Fig.4 Size of suspended particles in tailwater before and after flocculation

絮凝沉淀后，上清液中悬浮物的粒径明显增大，见图4。主要分布范围由0.5～5.0 μm扩大到1.0～ 10.0 μm，中值粒径从1.64 μm上升至3.97 μm；在絮凝过程中，细小的颗粒物聚集在一起形成了絮体，且絮体稳定不易分散。

2.1.3 絮凝对细颗粒悬浮物沉降的关键作用

絮凝作用通过增大悬浮颗粒粒径改变了其沉降性质。2 μm以下的悬浮物中无法沉降，只能通过扩散作用迁移。石灰絮凝作用将尾水中颗粒物粒径扩大；絮凝前，2 μm以下的悬浮颗粒占63%；絮凝沉淀后，2 μm以下的悬浮颗粒占20%。颗粒物的运动方式发生改变，原来无法沉降的颗粒物通过重力作用累积在人工湿地中。颗粒粒径的增大，将沉降距离缩短了5倍（见表3）。

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表3 絮凝前后颗粒物在花岗岩填料中的理论沉降距离Tab.3 Theoretical sedimentation distance of particles in granitefilling material before and after flocculation

2.2 悬浮物去除效果及粒径分布

2.2.1 悬浮物去除效果

人工湿地技术是处理悬浮物的可行方法，花岗岩是良好的填料。花岗岩在各种情况下对悬浮物的去除率均能达到60%以上，黏附在填料上的悬浮颗粒较少，大多累积在底部。控制水力坡度为0.25%，比较石英和花岗岩填料对悬浮物的去除率，结果如表4所示。

表4 不同条件下人工湿地模型对悬浮物的去除效果Tab.4 Effects of artificial wetland model on the removal of suspended solids under different conditions

2.2.2 沿程方向悬浮物浓度

测量10个位置及进、出水口所取水样悬浮物浓度，其值随沿程方向下降，下降速度随距离的增长变缓，结果如图5所示。

采用Origin对图5中的数据进行拟合，悬浮物浓度沿程方向的变化较符合对数关系，相关系数为0.83～0.92，关系通式如式（1）所示。

式中：Y为悬浮物含量，mg/L；x为取样点距入水口距离，cm；a、b、c为常数项。

图5 不同条件下填料对悬浮物的去除效果Fag.5 Effect of fillers on the removal of suspended solids under different conditions

图6 不同位置沉积物粒径Fig.6 Particle size of sediments in different positions

2.2.3 沉积颗粒物粒径分布

距离进水口越远，沉积颗粒粒径越小；3.5～5 μm的沉积颗粒较少，絮凝后，尾水中5 μm以下的颗粒物占70%，而沉积颗粒只有30%左右，大部分依旧残留在水中。距离进水口20cm、50cm、90cm、150cm处沉积颗粒粒径分布如图6所示。沉积颗粒粒径主要分布在3.5～23.6 μm之间；第一个取样点最大值为61.28 μm，其余各处均为41.84 μm；四处均出现两个峰值，第一个峰值为5 μm左右，第二个峰值依次约为20 μm、16 μm、12 μm、10 μm。

2.3 基于Stokes公式的悬浮物沉降规律分析

对于过滤水体中粒径为2～10 μm的颗粒物，重力沉降起到重要的作用[19]，湿地填料对于悬浮物的作用相当于滤床，因此，认为重力沉淀作用是悬浮物在人工湿地填料内的最主要迁移方式。

2.3.1 基于St okes公式的悬浮颗粒沉降距离计算利用Stokes公式描述颗粒的沉降时间，计算公式如式（2）所示。

在沿程方向上，颗粒随流体匀速运动，则颗粒沉降到底部时，离入水口的距离计算公式如式（3）所示。

式中：ρ为流体密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；ρs为悬浮颗粒密度，kg/m3，取1 400 kg/m3（尾矿干密度）；μf为流体的动力黏度，Pa·s，0.895×10-3Pa·s（25℃时，常压下水的动力黏度）；ds为悬浮颗粒直径，m；H为进水口水面高度，m；v为渗透速度，m/s。

2.3.2 自然渗透状态下悬浮物沉降规律分析

静置加水的过程中，只有表层1 cm高左右的水体处于流动状态。根据Stokes公式（颗粒下沉至静止水体后的流动距离可忽略），花岗岩填料模型中（H=0.01 m、v=1.0 mm/s），粒径为3.2 μm的颗粒物沉降距离为2 m，与沉积颗粒分布范围的下限3.5 μm一致。根据粒径分布推算3.5 μm的悬浮物含量为22%，进而得到悬浮物的去除率为78%，与试验测定值82%相差不大（见表5）。

表5 沉积颗粒粒径与悬浮物去除率Tab.5 Sediment particle size and suspended particle removal rate

2.3.3 人工控制水力坡度下悬浮物沉降规律分析

花岗岩填料，水力坡度为0.25%的模型中（H= 0.11 m、v=1.2 mm/s），沉积颗粒粒径分布范围理论计算值与试验测定值如表6所示。根据四处沉积物粒径分布图得到沉积颗粒粒径在16.11～61.28 μm间，与理论计算值相差不大。与自然渗流状态下相比，沉积颗粒粒径增大，沉降距离增加，四处取样点的峰值粒径依次为20 μm、16 μm、12 μm、10 μm，逐渐减小。模型中靠后位置测得的大颗粒沉积物来自此过程。

表6 沉积颗粒粒径分布范围Tab.6 Range of sediment particle size

利用公式（1）和公式（3）得到悬浮物浓度和沉降颗粒粒径随人工湿地长度的变化曲线，如图7所示。两者变化规律相似，开始下降较快，随后越来越缓慢。粒径越小的颗粒物，越难沉淀，2 μm的颗粒物沉降距离需要70 m；悬浮物浓度下降到17 mg/L后趋于稳定。

图7 沉降颗粒粒径和悬浮物浓度随人工湿地长度的变化Fag.7 Variation of sedimentation particle size and suspended solid concentration with the length of artificial wetland

此次试验模型长度较短导致10 μm以下的颗粒难以沉降，后期可以调整模型长度、降低渗透速度，使得粒径小的悬浮颗粒能完成沉降过程，沉积物的分布规律更加明显。

3 结论

（1）以10 mm左右的花岗岩作填料，水力坡度为0.25%时，悬浮物去除率能达到60%以上，人工湿地对白钨选矿尾水中悬浮物有良好的去除效果。

（2）自然渗透状态下，粒径3.2 μm以上的颗粒物在2 m内沉降；人工控制水力坡度为0.25%的状态下，可沉降颗粒最小粒径为13 μm，增加了3倍；沉降距离可通过Stokes定律计算。

（3）絮凝作用将尾水中2 μm以上的颗粒含量由37%扩大至80%以上，中值粒径由1.64 μm上升至3.97 μm，改变了悬浮物沉降性质，沉降距离缩短5倍。

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Experimental Study on the Suspended Solid Settlement Pattern of Scheelite Dressing Tailrace in Wetland Filler

YANG Chusi,YANG Yuping,WANG Zhenyu

(School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)

The constructed wetland shows a good effect on the removal of suspended solids,but the research on its mechanism and regular pattern is not adequate.This paper studies the removal rate and settlement regularity of suspended solids in scheelite dressing tailrace in the horizontal subsurface flow wetland columns by applying a range of granite or quartz.The wetlands were operated under a hydraulic gradient of 0.25%.Granite media,diameter of 6～12 mm,was highly effective.The removal of suspended solids was more than 60%.The concentration of suspended solids in purified water was around 40 mg/L.As a pretreatment process,flocculation reduced particles that diameter below 2 μm from 64%to 20%.Particle median diameter expended from 1.64 μm to 3.97 μm.The grain size of sediment was mainly in 3.5～23.6 μm.Settlement distance can be estimated based on Stokes rule.

scheelite dressing tailrace;suspended solid;wetland filler;flocculation;settlement pattern

TD926.5；X753

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.06.015

2016-10-24

杨楚思（1992-），女，湖南湘潭人，硕士研究生，研究方向：白钨选矿尾水处理。

阳雨平（1963-），男，湖南郴州人，副教授，主要从事采矿方法研究工作。